Investigación Aeroelástica Tridimensional de una Nueva Turbina Eólica H-Darrieus de Palas Convexas Basada en un Enfoque de Análisis de Dinámica de Fluidos Computacional y Elementos Finitos Acoplado Bidireccionalmente
Autores: Elbeji, Tarek; Ben Amira, Wael; Souaissa, Khaled; Ghiss, Moncef; Bentaher, Hatem; Ben Fredj, Nabil
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Investigación Aeroelástica Tridimensional de una Nueva Turbina Eólica H-Darrieus de Palas Convexas Basada en un Enfoque de Análisis de Dinámica de Fluidos Computacional y Elementos Finitos Acoplado Bidireccionalmente
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Turbinas eólicas de eje vertical Darrieus
Interacción fluido-estructura
Material compuesto
Deformación
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
Las turbinas eólicas de eje vertical H-Darrieus (VAWTs) capturan el viento independientemente de su dirección y operan de manera efectiva incluso en condiciones de viento desafiantes y turbulentas. Como resultado, las palas operan bajo cargas aerodinámicas erráticas e intrincadas, lo que provoca que se doblen. Por lo tanto, el rendimiento del rotor H-Darrieus se verá afectado por la deflexión de la pala. Este estudio tiene como objetivo investigar la influencia de la aerostructura dinámica en una nueva geometría de H-Darrieus con palas convexas. Los resultados se comparan con un rotor de pala recta de referencia. Para ello, se realiza un enfoque acoplado de interacción fluido-estructura (FSI) bidireccional para abordar este problema con precisión. Este enfoque permite la resolución simultánea del flujo de fluido alrededor del rotor y las respuestas de la estructura mecánica dentro de las palas. Los flujos turbulentos se resuelven utilizando el modelo k--SST junto con las ecuaciones URANS a través de la dinámica de fluidos computacional (CFD), mientras que las deflexiones estructurales de las palas se evalúan utilizando análisis de elementos finitos (FEA). Los resultados muestran que el rendimiento de ambas turbinas H-Darrieus disminuye con el aumento de la deformación. Además, el estudio encontró que el material compuesto de fibra de carbono (M1) tiene la menor deformación en las palas convexas y rectas, con valores de 9.1 mm y 20.331 mm, respectivamente. El material compuesto de epoxi reforzado con fibra de vidrio (M3) muestra la deflexión más significativa en ambos tipos, con desplazamientos de 32.50 mm y 73.78 mm para la pala recta y 19.02 mm y 43.03 mm para la pala convexa. Este estudio también revela que la pala recta tiene un desplazamiento máximo de 73.785 mm al usar el material M3 a TSR = 3, mientras que la pala convexa tiene un desplazamiento mínimo de 20.331 mm al usar el material M1, destacando las características de rendimiento variables de los materiales. El estrés máximo observado ocurre en la pala recta, registrando 324.1 MPa con TSR = 3, lo que se alinea estrechamente con los valores de desplazamiento máximo, particularmente para el material de aleación de aluminio (M2). En contraste, la pala convexa hecha del primer material (M1) exhibe los niveles de estrés más bajos entre las configuraciones probadas.
Descripción
Las turbinas eólicas de eje vertical H-Darrieus (VAWTs) capturan el viento independientemente de su dirección y operan de manera efectiva incluso en condiciones de viento desafiantes y turbulentas. Como resultado, las palas operan bajo cargas aerodinámicas erráticas e intrincadas, lo que provoca que se doblen. Por lo tanto, el rendimiento del rotor H-Darrieus se verá afectado por la deflexión de la pala. Este estudio tiene como objetivo investigar la influencia de la aerostructura dinámica en una nueva geometría de H-Darrieus con palas convexas. Los resultados se comparan con un rotor de pala recta de referencia. Para ello, se realiza un enfoque acoplado de interacción fluido-estructura (FSI) bidireccional para abordar este problema con precisión. Este enfoque permite la resolución simultánea del flujo de fluido alrededor del rotor y las respuestas de la estructura mecánica dentro de las palas. Los flujos turbulentos se resuelven utilizando el modelo k--SST junto con las ecuaciones URANS a través de la dinámica de fluidos computacional (CFD), mientras que las deflexiones estructurales de las palas se evalúan utilizando análisis de elementos finitos (FEA). Los resultados muestran que el rendimiento de ambas turbinas H-Darrieus disminuye con el aumento de la deformación. Además, el estudio encontró que el material compuesto de fibra de carbono (M1) tiene la menor deformación en las palas convexas y rectas, con valores de 9.1 mm y 20.331 mm, respectivamente. El material compuesto de epoxi reforzado con fibra de vidrio (M3) muestra la deflexión más significativa en ambos tipos, con desplazamientos de 32.50 mm y 73.78 mm para la pala recta y 19.02 mm y 43.03 mm para la pala convexa. Este estudio también revela que la pala recta tiene un desplazamiento máximo de 73.785 mm al usar el material M3 a TSR = 3, mientras que la pala convexa tiene un desplazamiento mínimo de 20.331 mm al usar el material M1, destacando las características de rendimiento variables de los materiales. El estrés máximo observado ocurre en la pala recta, registrando 324.1 MPa con TSR = 3, lo que se alinea estrechamente con los valores de desplazamiento máximo, particularmente para el material de aleación de aluminio (M2). En contraste, la pala convexa hecha del primer material (M1) exhibe los niveles de estrés más bajos entre las configuraciones probadas.